【正文】 施加的控制量。 模糊控制算法模糊控制的核心是模糊控制規(guī)則的建立,模糊控制規(guī)則的實(shí)質(zhì)是把操作者的經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié),并將在控制過程中由經(jīng)驗(yàn)得來的相應(yīng)措施總結(jié)成一條條控制規(guī)則。這樣就完成了精確量的模糊化過程。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)可寫出輸入量和輸出量各檔的隸屬函數(shù)。把在 ??,之間變化的連續(xù)量分為7個(gè)檔次，每一個(gè)檔次對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集，這樣處理模糊過程較簡(jiǎn)單。根據(jù)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及工程經(jīng)驗(yàn)不斷修改，、表 KP 控 制 規(guī) 則 表[4] PID 控制及其 MATLAB 仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社 ?ec表 K1 控 制 規(guī) 則 表ecIK?NB NM NS ZO PS PM PBNB PB PB PB PS PS PS ZONM PS PS PS PS PS ZO NSNS PS PS PS PS ZO NS NBZO NS NS NS ZO PS PS PSPS NB NS ZO PS PS PS PSPM NS ZO PS PS PS PS PSePB ZO PS PS PS PB PB PB表 Kd 控 制 規(guī) 則 表ec DK?NB NM NS ZO PS PM PBNB NS NS NB NB NB NS NSNM NS NS NB NS NS NS ZONS ZO NS NS NS NS NS ZOZO Z0 NS NS NS NS NS ZOPS ZO ZO ZO ZO ZO ZO ZOPM PB PS PS PS PS PS PBePB PB PS PS PS PS PS PB根據(jù)模糊 PID 控制規(guī)則建立的模糊模糊推理系統(tǒng)，并顯示其特性曲面，如圖 NB NM NS ZO PS PM PBNB NB NS NS NS ZO ZO PSNM NS NS ZO NS ZO ZO PSNS NS NS ZO ZO PS PS PSZO ZO ZO ZO ZO PS PB PBPS NS NS ZO ZO PS PS PSPM NS NS NS NS ZO PS PSePB NB NS NS NS ZO ZO ZO 模糊推理輸出特性曲面 精確量的模糊化過程根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際性質(zhì)和要求,對(duì)輸入量 E、EC 和輸出控制量 U 的模糊語言描述（模糊集）定義如下:描述輸入量 E、EC 和輸出控制量 U 的語言值模糊子集均選為{PB,PM,PS,ZO,NS ,NM,NB},量化論域均取為{3,2,1,0,1,2,3}。在本設(shè)計(jì)中取 。輸出控制量 、 、 。輸出變量的整數(shù)論域?yàn)閧0，1}。根據(jù)精確程度和控制要求一般選擇7個(gè)等級(jí)較適合，對(duì)于誤差 、誤差變化率 ，及ece輸出控制量 、 、 的模糊集均為： {NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}7個(gè)等PKID級(jí)。用MATLAB(SIMULINK)進(jìn)行仿真，其PKID。此時(shí) 較小，為了使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)DKe增大 和 的數(shù)值，并取 適當(dāng)，使系統(tǒng)避免振蕩。此時(shí) 較大，e為加速系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的 、較小的 ，且 為0；②跟隨階段。在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè) 和 ，對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不ec同 和 時(shí)對(duì)控制參數(shù)的要求，使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性。模糊控制器的設(shè)計(jì)是模糊控制中的重點(diǎn),它由模糊化、模糊算法、模糊判決U三部分組成。本系統(tǒng)采用的是模糊 PID 控制器。但是，不管如何調(diào)整各參數(shù)，純粹的模糊控制也不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。模糊控制是建立在人類思維模糊性的基礎(chǔ)上的，它的核心是在于它用具有模糊性的語言條件語句，作為控制規(guī)則去執(zhí)行控制。所以，對(duì) 、 、 3個(gè)參數(shù)的選取直接影響控制效果。③ 微分作用系數(shù) 的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，即在響應(yīng)過程中抑制偏差向D任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)，在系統(tǒng)引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。② 積分系數(shù) 的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。IPIT?TKDP?從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面來考慮， 、 、PIK對(duì)系統(tǒng)的作用如下：D① 比例系數(shù) 的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。PI D比例 P比例 I比例 D被控對(duì)象y ( t )+++u ( t )f ( t )+e ( t ) PID控制系統(tǒng)原理圖數(shù)字PID控制算法通常有位置式PID算法和增量式PID算法兩種，一般在以步進(jìn)電機(jī)或電動(dòng)閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，多采用增量式PID控制算法，其算式如式(2)，其輸出是控制量的增量 。近年來，出現(xiàn)了許多新型PID控制器，如瑞典著名學(xué)者K．J，Astrom等人推出的智能型PID自整定控制器，對(duì)于復(fù)雜對(duì)象，其控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)PID控制，它根據(jù)給定值 與實(shí)際輸出值 構(gòu)成??tr??ty控制偏差，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制。隨著微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實(shí)際應(yīng)用這種設(shè)想已變成了現(xiàn)實(shí)。另一方面，在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性很差。 在實(shí)際工業(yè)控制過程中，有的對(duì)象參數(shù)未知或參數(shù)緩慢變化，有的對(duì)象帶有時(shí)間滯后或隨機(jī)干擾，即所謂的不確定性。這一方面是由于PID控制器具有簡(jiǎn)單而固定的形式，在很寬的操作條件范圍內(nèi)都能保持較好的魯棒性；另一方面是因?yàn)镻ID控制器允許工程技術(shù)人員以一種簡(jiǎn)單而直接的方式來調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即使被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不精確也可使用。 PID 控制PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一。沒有精確的數(shù)學(xué)模型作前提，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能將大打折扣。隨著科技的發(fā)展，對(duì)工業(yè)過程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的魯棒性、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性以及控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。它是辨識(shí)與控制的結(jié)合。2)自適應(yīng)控制。大量的事實(shí)證明，傳統(tǒng)的PID控制算法對(duì)于絕大部分工業(yè) 過程的被控對(duì)象(高達(dá)90％)可取得較好的控制效果。h主控制器副變送器下水箱上水箱副控制器執(zhí)行器主變送器 　 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)方塊圖第 3 章 控制算法研究目前，針對(duì)過程控制所研究開發(fā)出來的控制策略(算法)很多，但其中許多算法仍只停留在理論的推算或計(jì)算機(jī)仿真上，真正能有效地應(yīng)用在工業(yè)過程控制中的仍為數(shù)不多。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持下水箱液位在設(shè)定值，因此，主調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)器也可考慮采用 PID 調(diào)節(jié)器。模糊化 模糊算法 模糊決策 Ku 液位對(duì)象積分抑制 Ki I/S本系統(tǒng)以下水箱液位為主調(diào)節(jié)參數(shù)，上水箱液位為副調(diào)節(jié)參數(shù)，構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)。因此，本文用模糊推理在線整定 PID 參數(shù)，構(gòu)造模糊 PID 液位控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)性能。液位控制系統(tǒng)方塊原理圖如圖 所示，利用水泵將儲(chǔ)水槽中的水輸出，通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)上水箱進(jìn)水流量，采用雙閉環(huán)串級(jí)控制對(duì)上、下水箱的液位控制使下水箱液位保持恒定，液位變送器對(duì)上、下水箱液位進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。但當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)發(fā)生變化或受到外界干擾時(shí), 參數(shù)整定就比較困難, 造成了很大的不便。這種方法不僅可以保證系統(tǒng)輸出響應(yīng)快, 調(diào)節(jié)時(shí)間短, 超調(diào)量小, 控制精度高, 魯棒性好, 而且還有較強(qiáng)的抗干擾能力和自適應(yīng)能力。模糊量化部分采用歸一1 1化模糊量化處理, 這樣就無需再設(shè)置和調(diào)整量化因子 和 , 而模糊控制器所需eKec[3] [J].中國(guó)科技信息，2022（12）；130.調(diào)整的參數(shù)只剩下 一個(gè), 可采用自尋優(yōu)在線調(diào)整 , 使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。　 IF????011 ????eandcNecandABSMeABSkKQTHEN??? L（） 式(4)中, 、 分別為給定的閥值。圖3給出了帶修正因子的規(guī)則自整定模糊控制器。當(dāng) = 時(shí), 為最小 , 的權(quán)重最大。設(shè)偏差 和偏差EE變化率 EC 的論域?yàn)? ???NNC,2,10,1, ???? ????（）由(2) 式可知, 在整個(gè)論域范圍內(nèi)具有在線參數(shù)自整定的模糊控制規(guī)則可表達(dá)為: ????ECITU????1 NABS?0?（）式中: 一般取0、3左右。一成不變的控制規(guī)則, 其適應(yīng)性顯然較差，為此本文采用一種帶修正因子的模糊控制算法。 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了滿足工藝要求，設(shè)計(jì)了帶修正因子和尋優(yōu)參數(shù)的液位模糊控制器。當(dāng)然，第一個(gè)水箱的液位H1 和第二個(gè)水箱的液位 H2 也可以作為被調(diào)變量，若以 H2 為被調(diào)參數(shù)，關(guān)閉手動(dòng)閥V3，打開 V1，使第一個(gè)水箱和第二個(gè)水箱串聯(lián)，構(gòu)成二階被控對(duì)象。當(dāng) VL1 作為控制回路執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過手動(dòng)閥 VV3 和 V5 的打開關(guān)閉不同組合使水箱構(gòu)成不同階次的被控對(duì)象。調(diào)節(jié)閥 VL1 和 VL2 可以一個(gè)作為控制回路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，另一個(gè)用于產(chǎn)生擾動(dòng)信號(hào)。圖 液位線性控制系統(tǒng)原理方框圖圖中被控對(duì)象是三級(jí)串聯(lián)的水箱，被調(diào)參數(shù)是水箱的液位 H，調(diào)節(jié)參數(shù)是流入水箱的水流量 Q，水箱液位由液位變送器檢測(cè)得到液位反饋信號(hào) Hf，它和手操器輸出的液位設(shè)定信號(hào) Hs 進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào) Hi，調(diào)節(jié)器對(duì)輸入偏差 Hi 進(jìn)行 PID 運(yùn)算，輸出變化量 y 控制信號(hào)，控制電子調(diào)節(jié)閥門的閥位，改變調(diào)節(jié)參數(shù) Q，使被調(diào)參數(shù) H保持在設(shè)定值。 由圖可見，液位線性控制系統(tǒng)由下列 5 部分組成：①被控對(duì)象—水箱，②電子閥，③液位變送器，④調(diào)節(jié)器和⑤手操器。24V 電源：O 上孔（＋插孔）接電源變送器來的正信號(hào)，下孔（－插孔）接電源變送器來的負(fù)信號(hào)，不能接錯(cuò)。液位變送器為 LSRY，1 量程 0100mmH2O , 2 量程 0100mmH2O ,3 量程 0100mmH2O，輸出均為 420mA。每個(gè)通道有兩個(gè)插座孔，其中上孔（＋）接變送器來的信號(hào)，下孔（－）用來轉(zhuǎn)接到其他儀表作為輸入信號(hào)，注意不能接錯(cuò)。其中: M 孔為測(cè)量值輸入，S 孔為外設(shè)定輸入，O 孔為調(diào)節(jié)器輸出。其中: C：控制器（調(diào)節(jié)器） 。圖 帶連接信號(hào)插座孔的液位裝置工藝模擬流程圖[2] 翁維勤， ，2022。 液位控制系統(tǒng)組成 系統(tǒng)整體組成模擬控制對(duì)象系統(tǒng)由上、中、下三個(gè)相同大小的水箱、液位檢測(cè)變送儀表，執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成以及相應(yīng)的管路組成，三水箱均裝有也為傳感器，配套的儀表屏上安裝了配有帶連接信號(hào)插座孔的整個(gè)工藝過程模擬流程圖、調(diào)節(jié)控制儀表、手操器、顯示儀表等 [2]。目前，對(duì)水箱水位的控制大多采用傳統(tǒng)常規(guī)PID控制方式，傳統(tǒng)的PID控制方式是根據(jù)被控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型建立，由于水箱水位系統(tǒng)存在非線性、不確定性、時(shí)滯和負(fù)荷干擾、非最小相位特征等，其精確的數(shù)學(xué)模型往往無法獲得，而且傳統(tǒng)PID控制的參數(shù)是固定不變的。三容水箱是較為典型的非線性、時(shí)延對(duì)象，工業(yè)上許多被控對(duì)象的整體或局部都可以抽象成三容水箱的數(shù)學(xué)模型，具有很強(qiáng)的代表性。為了保證安全生產(chǎn)以及產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量對(duì)液位及時(shí)有效的控制是非常重要的。如果將模糊控制和傳統(tǒng)的 PID 控制兩者結(jié)合，用模糊控制理論來整定 PID 控制器的比例，積分，微分系統(tǒng)，就能更好的適應(yīng)控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件的變化 [1]。用常規(guī) PID 控制器來控制時(shí)，其效果不理想，系統(tǒng)響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。液位控制是工業(yè)中常見的過程控制，它對(duì)生產(chǎn)的影響不容忽視。隨著生產(chǎn)水平和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的規(guī)模只趨大型化、復(fù)雜化，對(duì)設(shè)備和被控系統(tǒng)安全性、可靠性和有效性的要求也越來越高。最近幾年，國(guó)內(nèi)一些控制領(lǐng)域已接近甚或超越了國(guó)際水平，然而，就先進(jìn)理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的狀況來講，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比卻存在較大差距。然而，當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究成果與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)水平并不是同步的，甚至相差幾十年。隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制水平的要求越來越 高。關(guān)鍵詞: 過程控制，水箱液位控制系統(tǒng)，模糊 PID 控制 ABSTRACT Liquid lev